Физические основы оптической локации

1. Физические основы оптической локации

2.

Оптической локационной системой
(OЛC) называют совокупность
технических средств, позволяющих
обнаруживать объекты и оценивать их
координаты с помощью
электромагнитных волн оптического
диапазона (от 3*1012 до 3*1016 Гц или в
длинах волн от 100 до 0,01 мкм).

3.

Переход в оптический диапазон дает
также возможность повысить точность
измерения дальности до цели и ее
радиальной скорости.
При импульсном методе измерения это
связано с возможностью излучения
импульсов наносекундной длительности
с пиковой мощностью в сотни и тысячи
мегаватт. При фазовом методе измерение
ведется на поднесущих, имеющих частоты
вплоть до СВЧ-диапазона.

4.

Доплеровские методы измерения
радиальной скорости в оптическом
диапазоне характеризуются высокой
чувствительностью. Так, при длине
волны λи= 1мкм радиальной
скорости Vr=0,1 м/с соответствует
доплеровское смещение частоты
FV=2Vr/λи=200 кГц.
Для реализации таких методов
требуется высокая стабильность
(временная когерентность) излучения,
которая может быть достигнута с
помощью газовых лазеров.

5. Высокое пространственное разрешение, свойственное оптическим сигналам, позволяет успешнее, чем в радиодиапазоне, распознавать

наблюдаемые объекты и формировать
изображение просматриваемого
пространства. ОЛС присущи следующие
особенности, которые нужно учитывать
при выборе частотного диапазона
проектируемой локационной системы:

6.

1) характеристики ОЛС сильно зависят от свойств среды, в
которой происходит распространение лазерного излучения.
Например, при работе ОЛС в приземном слое атмосферы
(тропосфере) дальность действия и точность измерения
координат объекта определяются в основном
метеоусловиями;
2) вследствие узости ДН требуется большое время для
поиска цели по угловым координатам;
3) существующие ограничения по частоте повторения
импульсов, вызванные теплофизическими особенностями
работы лазера, снижают темп обновления информации,
получаемой от лоцируемого объекта;
4) квантовый характер электромагнитного излучения
уменьшает эффективность обнаружения сигнала и
измерения его параметров вследствие как внутренних и
внешних шумов, так и вероятностного характера
регистрации оптического излучения.

7. Основными областями применения ОЛС являются:

• 1) мехатроника и робототехника;
• 2) аэрокосмические системы;
• 3) геодезия, картография, строительное и горное
дело;
• 4) траекторные измерения космических объектов в
системах Земля—Космос и космических комплексах
(сближение, стыковка);
• 5) калибровка радиолокационных измерителей;
• 6) получение метеоинформации;
• 7) управление оружием.

8.

• Из активных, пассивных и
комбинированных режимов работы
локационных систем для ОЛС наиболее
характерным является активный режим,
при котором источник зондирующего
сигнала и приемник отраженного
излучения пространственно совмещены.

9. Структурная схема ОЛС в общем виде представлена на рисунке 1

• В ее состав входят источник и приемник
излучения, оптическая система (ОС),
формирующая излучаемый в направлении
цели световой пучок и собирающая
отраженное объектом излучение, система
обработки и наведения, осуществляющая
оценивание координат цели и их
автоматическое сопровождение.

10.

Рисунок 1

11.

12. Рассмотрим подробнее элементы структурной схемы ОЛС.

• Источник излучения — лазерный передатчик (ЛП)
— служит для создания зондирующего сигнала с
требуемыми характеристиками, он работает в
импульсном или непрерывном режиме. Для
формирования диаграммы направленности (ДН),
обеспечивающей концентрацию излучаемой
энергии в узком пучке, применяется оптическая
система (рисунок 2), состоящая из двух линз:
окуляра 1 и объектива 2, фокальные плоскости
которых совмещены. Такая система, называемая
коллимирующей, позволяет уменьшить
расходимость исходного пучка в к раз, где k=f1/f2;
фокусные расстояния объектива и окуляра.

13.

• Для наведения лазерного луча на цель или
сканирования используют систему
поворотных зеркал и призм или устройства,
основанные на эффекте преломления луча
в оптически неоднородной среде, в
которой изменение показателя
преломления создается управляющим
напряжением.

14.

• Излучаемые оптические сигналы,
распространяясь через атмосферу или
другую среду, претерпевают изменения,
которые обусловлены тремя основными
явлениями: поглощением, рассеянием и
турбулентностью.

15.

• Поглощение и рассеяние определяют среднее
затухание оптического сигнала и относительно
медленные флуктуации, вызванные
изменением метеоусловий. С турбулентностью
связаны быстрые изменения поля, имеющие
место при любой погоде. Турбулентность
делает характеристики среды
распространения случайными, вследствие чего
проиходит расширение диаметра светового
пучка; его амплитуда, фаза, поляризация и
угол падения флуктуируют.

16.

• При взаимодействии лазерного пучка с
отражающей поверхностью цели возникает
вторичное излучение, характер которого
зависит от свойств зондирующего луча и
особенностей цели (состояние поверхности,
характер движения). В зависимости от
состояния отражающей поверхности
различают зеркальное и диффузное
отражения. При зеркальном отражении
вторичное излучение формируется по законам
геометрической оптики.

17.

• Вместе с полезным сигналом на входе
оптической приемной системы присутствует
световой фон, создаваемый рассеянным в
атмосфере солнечным излучением, свечением
звездного неба, а также излучением,
отраженным от различных посторонних
объектов, оказавшихся в поле зрения
приемной системы ОЛС. Фоновая помеха
представляет собой случайное гауссовское
поле, которое, как и нормальный случайный
процесс, можно полностью описать средним
значением и корреляционной функцией

18.

• . Так как для оптических полей среднее
значение напряженности , где r — радиусвектор, определяющий положение точки в
плоскости наблюдения; t — время, то
корреляционная функция может быть
записана в виде

19.

Случайное поле считается стационарным и однородным,

20.

Так как фоновое излучение стационарно и однородно,
обладает чрезвычайно широким спектром,
а его пространственный радиус корреляции
существенно меньше радиуса корреляции
сигнального поля, то корреляционная функция
фоновой помехи
где N0/2 - пространственно-временная спектральная
плотность мощности.

21.

• При работе ОЛС в сильно замутненной
среде (туман, вода) -основным видом
помехи является обратное рассеяние
излучения передатчика — так называемая
помеха обратного рассеяния. Характер этой
помехи зависит как от оптических
характеристик среды, так и от параметров
излучаемого сигнала.

22.

• Кроме внешних помех при проектировании
ОЛС необходимо учитывать внутренние
шумы, возникающие при преобразовании
оптического сигнала в электрический.
Связанный с ними ток, возникающий на
выходе преобразователя при отсутствии
светового сигнала на входе, называют
темновым.

23.

• Часть отраженного от цели излучения вместе с
внешними помехами попадает на входную
апертуру оптического приемного устройства
(ОПУ), состоящего из оптической приемной
антенны, светофильтра и фотоприемника. В
ОПУ применяют линзовые, отражательные и
смешанные антенные устройства. Среди
линзовых антенн наиболее распространенной
является телескопическая система,
изображенная на рисунке 3.

24.

Телескопическая система
Рисунок 3

25.

Принимаемый световой пучок поступает на
объектив 1, в фокусе которого располагается
диафрагма 2, вместе с объективом определяющая
поле зрения ОПУ:
где dпр - диаметр диафрагмы; f1 - фокусное расстояние
объектива. С помощью окуляра 3 формируется
параллельный пучок, который пропускается через
оптический фильтр 4. Линза 5 фокусирует
отфильтрованный сигнал на светочувствительной
поверхности фотоприемника 6.

26.

Антенное устройство смешанного типа представлено
на рисунке 4.

27.

Приходящее излучение попадает на
зеркало 2, переотражается на зеркало 1 и
после прохождения диафрагмы 3
преобразуется с помощью окуляра 4,
оптического фильтра 5, фокусирующей
линзы 6 и поступает на фотоприемник 7.
Смешанная система позволяет получить
компактную и дешевую конструкцию с
малым коэффициентом оптических потерь.